光电催化结合了光催化和电催化的优点，利用光能和电能驱动化学反应，在环境保护、能源转换和工业化工等领域显示出巨大潜力。它可高效净化水源、降低CO₂排放，分解水制氢推动氢能应用，并实现绿色化学品合成。这一技术为解决能源和环境问题提供了新途径。
本文将详细介绍光电催化的基本原理及其在各领域的应用。
基本原理
光电催化的基本原理涉及光辐照与电解液接触的半导体表面生成的光生电子-空穴对在半导体/电解液界面电场的作用下与溶液中离子发生的氧化还原反应。
光电化学过程是在光照下的电化学过程，电子和空穴通过吸收光能进入激发态，并传递电荷。一般情况下，该反应过程主要涉及以下四个步骤：
1、光吸收：光电催化剂吸收光能，产生电子-空穴对。通常使用半导体材料如TiO₂、g-C₃N₄等。
2、电子和空穴的分离：光激发产生的电子和空穴在催化剂内分离，以防止它们迅速复合。
3、迁移和传递：分离的电子和空穴迁移到催化剂表面，与吸附在表面的反应物发生氧化还原反应。
4、反应发生：电子参与还原反应，空穴参与氧化反应，生成目标产物。
接下来，将详细介绍光电催化在CO₂还原、水分解、固氮、有机污染物降解以及有机物合成等领域的应用。
应用领域
光电催化CO₂还原
光电催化CO₂还原结合了光催化与电催化技术优势，通过光激发产生电子-空穴对，将CO₂还原为碳氢化合物。
调控CO₂还原路径，可以提升还原产物的选择性。例如，通过负载助催化剂和构建异质结，可提高生成CO、HCOOH和CH₃OH等碳氢化合物的选择性。
CO₂还原生成C₂和C₃产物路径。（图片来自J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 7646.）
光电催化水分解
光电催化水分解利用光催化剂在光照下产生电子-空穴对，载流子在电极表面发生氧化还原反应，将水分解为氢气和氧气。
不同的反应条件如电解质的pH值、温度和浓度对水分解的效率有显著影响。例如，碱性电解质溶液可以提高效率和稳定性。
一个典型的光电化学池通常包括光电极、电解质溶液和外部电路，光电极材料在光照下产生光生电荷，驱动水分解反应。通过串联多个光电极，系统可以提高整体效率。
光电催化水分解体系简图。（图片来自X.-T. Xu, etal.,Adv. Sci. 2018,1801505）
光电催化固氮
光电催化固氮利用半导体材料在光照下产生电子-空穴对，这些载流子在催化剂表面与氮气反应，将氮气还原为氨。主要步骤包括光子的吸收、电子-空穴对的激发、分离与迁移、氮气的吸附及反应位点上的氧化还原反应。
优化电解质溶液的pH值、温度和浓度等反应条件可显著提高固氮效率。
光电催化固氮示意图。（图片来自Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201713229）
光电有机污染物降解
光电有机污染物降解能够将有机污染物转化为无害或低毒性物质，例如将其降解为CO₂，具有重要的环境和健康意义。
通过调整催化剂结构和反应条件（如光强度、反应时间和pH值等），可以显著提高有机污染物的降解效率。例如，掺杂贵金属（如Pt、Au）可提高光生载流子寿命和光催化性能；引入氧空位和构建异质结可调控带边位置，促进有机污染物降解反应的发生。
光电有机污染物降解示意图。（图片来自J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 34, 13664–13674）
光电合成有机物
光电合成有机物是一种将太阳能转化为化学能、并利用这一能量进行高附加值有机化合物合成的技术。该过程具有高效、绿色、可持续的特点，是有机化学和材料科学领域的重要研究方向。
光电合成有机物示意图。（图片来自J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 43, 19770–19777）
双氰基蒽自由基阳离子催化的芳基卤化物还原偶联反应。（图片来自Chinese Journal of Organic Chemistry, 2021, 41(10): 3935-3947）
光电催化杂芳烃与三氟硼酸酯的C—H烷基化反应。（图片来自Chinese Journal of Organic Chemistry, 2021, 41(10): 3935-3947）
光电合成有多种形式和应用：
绿色合成路径：利用光电催化技术可以避免使用有害化学氧化剂或还原剂，从而减少环境污染。例如，光电还原二氧化碳（CO₂）生成甲酸（HCOOH）、甲醇（CH₃OH）等燃料和化学品。（Wang, C., Kim, J., Tang, J., & Kim, J. K., 2017）。
惰性键活化：光电催化可以有效活化惰性C-H、C-C等键，从而实现多样的复杂有机分子合成。例如，通过光电催化剂实现苯环等惰性基团的功能化（Li, X., Yu, J., Jaroniec, M., & Chen, X., 2019）。
高选择性：通过调控光催化剂结构、反应条件（如电压、光强度）和溶剂环境，可以实现高选择性的有机合成反应（Yuan, Y. J., Yu, Z. T., & Zou, Z. G., 2016）。
光电合成有机物在药物合成、精细化工、材料制备等领域具有广泛的应用前景，例如光电催化合成高品质的有机药物中间体、生物活性物质等，为绿色和可持续有机合成提供了创新策略。
写在最后
未来，随着能源需求增加和环境问题加剧，光电催化的重要性将愈加突出。政策支持、技术创新和产业化推进将共同推动其广泛应用，实现可持续发展目标。
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